電動車兩擋變速器參數匹配與優化

李卓強，陳勇，李睿

（河北工業大學機械工程學院，天津 300130）

前言

在“一帶一路”大背景下新能源汽車持續快速發展，發展新能源汽車已經成為我國從汽車大國邁向汽車強國的標志之一。傳統的純電動汽車驅動系統一般裝配單級減速器，為滿足整車的動力性要求，對電機的要求較高[1]，文獻[2-3]通過研究多級和單級減速器傳動系統運轉特性，證明多擋變速器可以有效改善整車性能。

文章通過針對某款裝備單級減速器的純電動汽車的整車參數，對驅動電機進行了再選型，并計算出滿足動力性的傳動比范圍，在AVL CRUISE內建立整車模型并矩陣計算優化得到NEDC工況下能耗最低的傳動比組合，在提升動力性的同時有效降低整車能耗。

1 整車參數及性能要求

文章研究對象為某款裝備單級減速器的純電動汽車，主要參數如表1所示，性能要求如表2所示。

表1 整車主要參數

表2 主要性能要求

2 變速器構型及驅動電機選型

2.1 變速器布置形式

傳統裝配 AMT變速箱的車輛動力傳輸路線為：發動機—離合器—變速箱—差速器。由于離合器的限制，為避免離合器打滑延長接合時間，車輛起步階段電機轉矩不能過大。另一方面傳統 AMT變速箱內無差速器，對布置空間要求較高。新型兩擋變速器結構如圖1所示。變速箱無離合器，起步階段在電動機輸出較大扭矩的工況下仍可以快速平穩起步，且變速箱內部集成差速器，可直接向左右半軸輸出動力，整體布置緊湊，節省布置空間。另外，由于移除離合器，電動機輸出軸與變速箱輸入軸為常連接形式，換擋過程中電動機可主動調速減小換擋沖擊，提高換擋速度。

圖1 兩擋自動變速器結構布置圖

2.2 驅動電機額定功率

電動汽車在穩態行駛中應滿足功率平衡，驅動電機的額定功率應當滿足電動汽車在最高速度行駛時功率平衡。驅動電機有一定過載能力，一般可以按照最高車速90%限定額定功率，即驅動電機額定功率需滿足：

式中：νmax為最高車速；ηt為傳動系統效率；Pe為驅動電機額定功率。

2.3 驅動電機峰值功率

驅動電機的峰值功率應同時滿足電動汽車瞬時最高車速，最大爬坡度和加速性能的要求。

瞬時最高車速所需峰值功率可根據式（1）可計算得出驅動電機峰值功率Pmax_ν。

最大爬坡度所需功率為純電動汽車以某一速度完成最大爬坡時的功率需求：

式中：Pmax_i為滿足最大爬坡度要求的峰值功率；αmax為最大爬坡角度；νi為爬坡車速。

純電動汽車加速時的功率需求為[4]：

式中：Pmax_a為滿足最短加速時間要求的峰值功率；νa為加速過程的終速；t為加速時間。

綜上，驅動電機峰值功率：

2.4 驅動電機擬合曲線

綜合考慮整車動力性能和成本要求，取驅動電機的峰值功率為100kW，額定功率42kW，并根據電機特性選取電機最高轉速為7200rpm。

由于電機的基速對電機峰值扭矩影響較大，因此，保持電機峰值轉速7200rpm，額定功率42kW，峰值功率100kW這三個參數不變，基速分別取3000rpm，3500rpm，4000rpm擬合三組電機的外特性曲線。擬合電機的理想外特性曲線分別如下圖2、圖3、圖4所示。電機最大輸出功率在額定轉速附近達到峰值功率100kW。

圖2 3000rpm時外特性曲線

圖3 3500rpm時外特性曲線

圖4 4000rpm時外特性曲線

2.5 驅動電機參數確定

為滿足車輛的爬坡度與0-100km/h加速時間需求，同時盡量降低電機的峰值轉矩，最后取電機的額定轉速為3500rpm，峰值轉矩 275Nm。按照額定轉速時電機輸出額定功率計算得電機的額定轉矩為 114.6Nm，取額定轉矩為115Nm。因此初步確定電動車驅動電機具體參數如下表3所示。

表3 驅動電機參數

3 傳動比范圍確定

3.1 一擋傳動比范圍

一擋傳動比的最小值應當保證車輛所要求的最大爬坡度與0-100km/h加速性能，因此有[5]：

式中：Rw為車輪旋轉半徑；Tmax為電機峰值轉矩；ν表示爬坡速度；α表示爬坡角度；Pmax表示電機的峰值功率；ne表示電機額定轉速；δ表示整車旋轉慣量換算系數。

一擋傳動比最大值應避免驅動輪滑轉，由電機峰值轉矩與路面附著系數確定：

式中：φ為路面附著系數，fz為驅動輪反作用力。

3.2 二擋傳動比范圍

二擋總傳動比的最大值應當保證驅動電機最高轉速時車輛可以達到所要求的最高車速。

二擋總傳動比的最小值由電機峰值轉速對應的最大輸出轉矩與最高車速對應的行駛阻力確定：

式中：Tn_max為電機峰值轉速對應的最大輸出轉矩。

3.3 總傳動比范圍確定

除上述動力性約束外，由于是基于現有車型對其動力總車再開發，因此變速器整體尺寸、輸入輸出軸中心距也需要綜合考慮；另一方面也應考慮大減速比帶來的振動噪聲、潤滑等問題。綜合考慮以上約束條件，初步確定一擋總傳動比范圍為8.63～14.28，二擋總傳動比范圍為3.14～6.14，文章將在該范圍內對傳動比數值進行優化計算。

4 傳動比優化

上節通過計算動力性指標，結合整車結構參數確定了兩擋變速器的大致速比范圍，本節以NEDC循環工況下的耗電量作為經濟性評價標準。在滿足動力性能的前提下，使耗電量最低的傳動比組合即為最優傳動比組合。

4.1 整車模型

在AVL CRUISE內建立純電動汽車整車模型，包括整車參數模塊、輪胎模塊、制動模塊、差速器模塊、變速器模塊、電動機模塊、電池模塊、駕駛員模塊等。各模塊均按照整車實際參數設置。

圖5 AVL CRUISE內搭建模型圖

4.2 換擋規律制定

換擋規律一般包括經濟型換擋規律和動力性換擋規律。動力性換擋規律下整車能保證當前狀態下驅動輪擁有最大驅動力矩，經濟性換擋規律下整車能保證當前狀態下驅動電機擁有最優效率，無論動力性還是經濟性換擋曲線為了避免循環換擋，降擋曲線應在升擋曲線基礎上有一定延遲[6]。然而兩種方法制定換擋規律的前提是變速器速比已知。當速比未確定時，速比和換擋規律存在相互耦合關系，無法確定出通用換擋規律，只能根據某一特定速比制定對應的換擋規律，大大增加工作量。一方面純電動汽車行駛特性不需要頻繁換擋，另一方面城市道路情況最高車速一般不超過70km/h，因此設定基于速度的單參數通用換擋規律，策略為時速大于70km/h時升擋，時速低于45km/h時降擋。

4.3 經濟性最優傳動比確定

NEDC是測試電動汽車經濟性的典型循環工況，在AVL CRUISE計算各速比NEDC循環工況下每百公里耗電量即可確定經濟性最優速比。使用軟件內的矩陣計算工具，在所選定的兩個擋位總傳動比范圍內取以0.01為間隔進行傳動比組合并進行能耗仿真，得到如圖6所示的不同傳動比組合下每百公里NEDC循環工況耗電量。

圖6 優化結果

該曲面上最低點的坐標即為使經濟性能最優的傳動比組合。由圖7得出，當一擋總傳動比11.64，二擋總傳動比4.78，NEDC百公里耗電量15.49kWh，滿足表2所示的整車經濟性要求且耗電量最少。

4.4 仿真結果對比

原車采用的是一款單擋變速器，總傳動比為7.85。下圖為單級速比和兩擋最優速比在 NEDC工況下工作點分布情況，位于80%效率區間以上的工作點，單級減速器占比66%，多擋變速器占比72%。兩擋變速器有效提高了循環工況內的電機平均效率。

圖7 單級減速器工作點

圖8 兩擋變速器工作點

在軟件內對單級和兩擋變速器進行動力性和經濟性仿真，驗證該動力系統匹配是否合理，結果如表4所示。文章所匹配的動力系統在滿足設計要求的前提下，較原單擋減速器，動力性和經濟性均有所改善。

表4 對比結果

5 結論

文章針對某裝配單級減速器的電動汽車，進行了驅動電機選型和兩擋變速器傳動比范圍確定，并使用AVL CRUISE優化得到經濟性最優傳動比組合，有以下結論：

（1）在進行傳動比優化范圍時，除根據動力性指標進行計算外也應結合整車布置空間、噪聲、潤滑等問題和工程經驗確定速比范圍；

（2）由于傳動比和換擋規律存在耦合關系，開發前期可以先使用通用單參數換擋規律進行速比優化，降低前期開發工作量；

（3）相較于原車采用的固定傳動比變速器，采用兩擋變速器后百公里整車加速時間降低 27%、爬坡度提高 96%，NEDC工況下百公里能耗降低4.5%，證明了兩擋變速器的存在意義；

（4）根據當前確定的最優速比后期可進行最優換擋規律優化研究，進一步改善整車動力性和經濟性。